JP2002326984A - Method for producing fullerene derivative - Google Patents

Method for producing fullerene derivative

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JP2002326984A
JP2002326984A JP2001136902A JP2001136902A JP2002326984A JP 2002326984 A JP2002326984 A JP 2002326984A JP 2001136902 A JP2001136902 A JP 2001136902A JP 2001136902 A JP2001136902 A JP 2001136902A JP 2002326984 A JP2002326984 A JP 2002326984A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a fullerene derivative hardly hydrolyzable and having good proton conductivity. SOLUTION: This method for producing the fullerene derivative comprises steps of reacting fullerene molecules with a hydrogensulfite and producing the fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bound to the carbon atom constituting the fullerene molecules.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、フラーレン誘導体
の製造方法に関するものである。
[0001] The present invention relates to a method for producing a fullerene derivative.

【0002】[0002]

【従来の技術】図14(A)及び(B)に示されるフラ
ーレン分子C60やC70等は、1985年に炭素のレーザ
アブレーションによるクラスタービームの質量分析スペ
クトル中に発見され(Kroto,H.W.;Heath,J.R.;O'Brien,
S.C.;Curl,R.F.;Smalley,R.E.Nature 1985.318,16
2.)、更に5年後の1990年に炭素電極のアーク放電
法による製造方法が見出された。それ以来、フラーレン
分子は炭素系半導体材料等として注目されてきた。
2. Description of the Related Art Fullerene molecules C 60 and C 70 shown in FIGS. 14A and 14B were discovered in 1985 in a mass spectrometry spectrum of a cluster beam obtained by laser ablation of carbon (Kroto, HW; Heath, JR; O'Brien,
SC; Curl, RF; Smalley, RENature 1985. 318, 16
2.), and five years later, in 1990, a method of manufacturing a carbon electrode by an arc discharge method was found. Since then, fullerene molecules have attracted attention as carbon-based semiconductor materials and the like.

【0003】また、図15に示すような、フラーレン分
子を構成する炭素原子に、複数の水酸基を付加した構造
を持った化合物であるポリ水酸化フラーレン(通称「フ
ラレノール(Fullerenol)」と呼ばれており、以下、フ
ラレノールと称する。)は、1992年にChiangらによ
って最初に合成例が報告された(Chiang,L.Y.;Swirczew
ski,J.W.;Hsu,C.S.;Chowdhury,S.K.;Cameron,S.;Creega
n,K.J.Chem.Soc,Commun.1992,1791 及び Chiang,L.Y.;W
ang,L.Y.;Swirczewski,J.W.;Soled,S.;Cameron,S.J.Or
g.Chem.1994,57,3960)。それ以来、一定量以上の水酸
基を導入したフラレノールは、特に水溶性である特性が
注目され、主にバイオ関連の技術分野で研究されてき
た。
Further, as shown in FIG. 15, a fullerene hydroxide (commonly called “fullerenol”) is a compound having a structure in which a plurality of hydroxyl groups are added to carbon atoms constituting a fullerene molecule. (Hereinafter referred to as fullerenol)) was first reported by Chiang et al. In 1992 (Chiang, LY; Swirczew).
ski, JW; Hsu, CS; Chowdhury, SK; Cameron, S.; Creega
. n, KJChem.Soc, Commun 1992, 1791 and Chiang, LY; W
ang, LY; Swirczewski, JW; Soled, S.; Cameron, SJOr
g. Chem. 1994, 57 , 3960). Since then, fullerenol having a certain amount or more of hydroxyl groups introduced therein has been particularly noted for its water-soluble property, and has been studied mainly in the bio-related technical field.

【0004】さらに、図16に示すような、上記のフラ
レノールの水酸基がOSO3H基と置き換わった化合物
である硫酸水素エステル化フラレノールが1994年に
Chiangらによって報告された(Chiang,L.Y.;Wang,L.Y.;
Swirczewski,J.W.;Soled,S.;Cameron,S.J.Org.Chem.199
4,59,3960)。
Further, as shown in FIG. 16, a fullerenol bisulfate esterified in 1994, which is a compound in which the hydroxyl group of the above fullerenol is replaced with an OSO 3 H group, was obtained in 1994.
Chiang et al. (Chiang, LY; Wang, LY;
Swirczewski, JW; Soled, S .; Cameron, SJOrg. Chem. 199
4, 59 , 3960).

【0005】図17は、従来公知の製造方法による、フ
ラーレン分子からフラレノール又は硫酸水素エステル化
フラレノールを合成する反応構造式であり、フラーレン
分子(例えばC60)と発煙硫酸との反応で得られる反応
生成物を無水ジエチルエーテル中に投入することによっ
て、まずシクロスルホン化フラーレンを得、これを加水
分解することによって、硫酸水素エステル化フラレノー
ル又はフラレノールを得ることができる。
[0005] Figure 17, by conventionally known production method, a reaction formula for synthesizing fullerenols or hydrogensulfate esterified fullerenol fullerene molecule, obtained by reaction of a fullerene molecule (e.g., C 60) and fuming sulfuric acid reaction By introducing the product into anhydrous diethyl ether, first, a cyclosulfonated fullerene is obtained, and by hydrolyzing it, fullerenol or fullerenol hydrogensulfate can be obtained.

【0006】近年、例えば自動車駆動用の高分子固体電
解質型の燃料電池として、パーフルオロスルホン酸樹脂
(Du Pont 社製の Nafion(R) など)のようなプロトン
(水素イオン)伝導性の高分子材料を用いたものが知ら
れている。
In recent years, for example, as a polymer solid electrolyte type fuel cell for driving an automobile, a proton (hydrogen ion) conductive polymer such as a perfluorosulfonic acid resin (such as Nafion (R) manufactured by Du Pont) has been used. Those using materials are known.

【0007】また、比較的新しいプロトン伝導体とし
て、H3Mo12PO40・29H2OやSb2O5・5.4H2Oなどの多くの水和
水を持つポリモリブデン酸類や酸化物も知られている。
Further, relatively new as the proton conductor, H 3 Mo 12 PO 40 · 29H 2 O and Sb 2 O 5 · 5.4H poly molybdenum acid or oxides known with many water of hydration, such as 2 O Have been.

【0008】これらの高分子材料や水和化合物は、湿潤
状態に置かれると、常温付近で高いプロトン伝導性を示
す。即ち、パーフルオロスルホン酸樹脂を例にとると、
そのスルホン酸基より電離したプロトンは、高分子マト
リックス中に大量に取込まれている水分と結合(水素結
合)してプロトン化した水、つまりオキソニウムイオン
(H3+)を生成し、このオキソニウムイオンの形態を
とってプロトンが高分子マトリックス内をスムーズに移
動することができるので、この種のマトリックス材料は
常温下でもかなり高いプロトン伝導効果を発揮できる。
[0008] When these polymer materials and hydrated compounds are placed in a wet state, they exhibit high proton conductivity near normal temperature. That is, taking a perfluorosulfonic acid resin as an example,
Protons ionized from the sulfonic acid group combine with water taken in a large amount in the polymer matrix (hydrogen bond) to produce protonated water, that is, oxonium ions (H 3 O + ), Since protons can move smoothly in the polymer matrix in the form of oxonium ions, this kind of matrix material can exhibit a considerably high proton conduction effect even at room temperature.

【0009】一方、最近になってこれらとは伝導機構の
全く異なるプロトン伝導体も開発されている。即ち、Y
bをドープしたSrCeO3などのペロプスカイト構造
を有する複合金属酸化物は、水分を移動媒体としなくて
も、プロトン伝導性を有することが見出された。この複
合金属酸化物においては、プロトンはペロプスカイト構
造の骨格を形成している酸素イオン間を単独でチャネリ
ングして伝導されると考えられている。
On the other hand, recently, proton conductors having a completely different conduction mechanism from these have been developed. That is, Y
It has been found that a composite metal oxide having a perovskite structure, such as b-doped SrCeO 3 , has proton conductivity without using water as a moving medium. In this composite metal oxide, it is considered that protons are independently channeled between oxygen ions forming the skeleton of the perovskite structure and are conducted.

【0010】この場合、この伝導性のプロトンは初めか
ら複合金属酸化物中に存在しているわけではない。ペロ
プスカイト構造が周囲の雰囲気ガス中に含まれている水
蒸気と接触した際、その高温の水分子が、ドープにより
ペロプスカイト構造中に形成されていた酸素欠陥部と反
応し、この反応により初めてプロトンが発生するのだと
考えられる。
In this case, the conductive proton does not necessarily exist in the composite metal oxide from the beginning. When the perovskite structure comes into contact with water vapor contained in the surrounding atmosphere gas, the high-temperature water molecules react with oxygen vacancies formed in the perovskite structure by doping, and this reaction causes protons to be produced for the first time. Is thought to occur.

【0011】[0011]

【発明に至る経過】しかしながら、上述した各種のプロ
トン伝導体は次のような問題点が指摘されている。
However, the following problems have been pointed out in the various proton conductors described above.

【0012】まず、前記パーフルオロスルホン酸樹脂な
どのマトリックス材料では、プロトンの伝導性を高く維
持するために、使用中、継続的に十分な湿潤状態に置か
れることが必要である。したがって、燃料電池等のシス
テムの構成には、加湿装置や各種の付随装置が要求さ
れ、装置の規模が大型化したり、システム構築のコスト
アップが避けられない。
First, the matrix material such as the perfluorosulfonic acid resin needs to be continuously and sufficiently wet during use in order to maintain high proton conductivity. Therefore, a humidifier and various accompanying devices are required for the configuration of a system such as a fuel cell, and the size of the device is increased, and the cost of system construction is unavoidable.

【0013】さらに、作動温度も、マトリックスに含ま
れる水分の凍結や沸騰を防ぐため、温度範囲が広くない
という問題がある。
Further, the operating temperature is not wide enough to prevent freezing and boiling of the water contained in the matrix.

【0014】また、ペロプスカイト構造を持つ前記複合
金属酸化物の場合、意味のあるプロトンの伝導が行われ
るためには、作動温度を500℃以上という高温に維持
することが必要である。
In the case of the composite metal oxide having a perovskite structure, the operating temperature must be maintained at a high temperature of 500 ° C. or more in order to conduct meaningful proton conduction.

【0015】このように、従来のプロトン伝導体は湿分
を補給したり、水蒸気を必要とするなど雰囲気に対する
依存性が高く、しかも作動温度が高過ぎるか又はその範
囲が狭いという問題点があった。
As described above, the conventional proton conductor has a problem that it is highly dependent on the atmosphere, such as replenishing moisture and needing steam, and the operating temperature is too high or its range is narrow. Was.

【0016】そこで、本出願人は、上記の如きフラレノ
ール及び硫酸水素エステル化フラレノールがプロトン伝
導性を示すことを見出し、特願平11−204038号
及び特願2000−058116号において新規なプロ
トン伝導体(以下、先願発明と称する。)を提起した。
この先願発明によるプロトン伝導体は、常温を含む広い
温度域で用いることができ、その下限温度も特に高くは
なく、しかも移動媒体としても水分を必要としないとい
う、雰囲気依存性の小さなプロトン伝導体である。ま
た、水酸基がOSO3H基に置き換わるとペレット中の
伝導率は大きくなる傾向にあることを見出した。これ
は、水酸基よりもOSO3H基の方が水素の電離が起こ
り易いことによるものである。
The present applicant has found that the above fullerenol and hydrogen sulfate esterified fullerenol exhibit proton conductivity, and disclosed a novel proton conductor in Japanese Patent Application Nos. 11-204038 and 2000-058116. (Hereinafter referred to as the prior invention).
The proton conductor according to the prior application can be used in a wide temperature range including room temperature, its minimum temperature is not particularly high, and it does not require moisture as a moving medium. It is. It has also been found that when the hydroxyl group is replaced with an OSO 3 H group, the conductivity in the pellet tends to increase. This is because hydrogenation of an OSO 3 H group is more likely to occur than a hydroxyl group.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らがプロトン伝導性の向上を目的として、単位質量当
たりのスルホン酸基の数が多いことに着目し、硫酸水素
エステル化フラレノールについて鋭意検討した結果、硫
酸水素エステル化フラレノールは、硫酸のハーフエステ
ル構造が、経時で容易に加水分解し、スルホン酸基が離
脱してしまうという問題点を抱えていた。
However, for the purpose of improving proton conductivity, the present inventors have focused on the fact that the number of sulfonic acid groups per unit mass is large, and have studied diligently with hydrogen sulfate esterified fullerenol. As a result, the hydrogen sulfate esterified fullerenol has a problem that the half ester structure of sulfuric acid is easily hydrolyzed with time, and the sulfonic acid group is eliminated.

【0018】本発明は、上記した問題点を改善するため
になされたものであって、その目的は、加水分解し難
く、かつ良好なプロトン伝導性を有するフラーレン誘導
体の製造方法を提供することにある。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a fullerene derivative which is hardly hydrolyzed and has good proton conductivity. is there.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
ような問題点を解決すべく鋭意検討したところ、図18
及び図19に示すような、スルホン酸基が直接フラーレ
ン骨格に結合した構造を持つ化合物は、加水分解し難
く、良好な耐水・耐熱性を示し、かつ良好なプロトン伝
導性を有することを見出し、そのフラーレン誘導体の製
造方法に到達した。
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and found that FIG.
And a compound having a structure in which a sulfonic acid group is directly bonded to a fullerene skeleton, as shown in FIG. 19, hardly hydrolyzes, shows good water and heat resistance, and has good proton conductivity. A method for producing the fullerene derivative has been reached.

【0020】図20はスルホン酸基の安定性を示すもの
であるが、これによれば、飽和炭素に直接スルホン酸基
を導入した構造を有する化合物が、特に安定しているこ
とが分かる。
FIG. 20 shows the stability of the sulfonic acid group. It can be seen from FIG. 20 that the compound having a structure in which a sulfonic acid group is directly introduced into saturated carbon is particularly stable.

【0021】即ち、本発明は、酸素の存在下、フラーレ
ン分子と亜硫酸水素塩を反応させ、前記フラーレン分子
を構成する炭素原子に少なくともスルホン酸基が直接結
合されたフラーレン誘導体を生成する工程を有する、フ
ラーレン誘導体の製造方法に係るものである。
That is, the present invention comprises a step of reacting a fullerene molecule with a bisulfite in the presence of oxygen to produce a fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule. And a method for producing a fullerene derivative.

【0022】本発明の製造方法によれば、前記フラーレ
ン分子を構成する炭素原子に少なくともスルホン酸基が
直接結合されたフラーレン誘導体を生成することができ
る。そのフラーレン誘導体は、前記スルホン酸基が直接
フラーレン分子を構成する炭素原子に結合されているの
で、熱的に安定しており、例えば熱水中でも加水分解す
ることなく、良好な耐水・耐熱性を示す。
According to the production method of the present invention, a fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule can be produced. The fullerene derivative is thermally stable because the sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule, and does not hydrolyze in hot water, for example, and has good water resistance and heat resistance. Show.

【0023】さらに、その製造されたフラーレン誘導体
を、プロトン伝導体として各種の電気化学デバイス、例
えば燃料電池に適用すれば、優れたプロトン伝導性を発
揮する。
Further, when the produced fullerene derivative is applied as a proton conductor to various electrochemical devices, for example, a fuel cell, excellent proton conductivity is exhibited.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づいて本発
明を更に具体的に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on embodiments.

【0025】図1に示すように、本発明に基づくフラー
レン誘導体の製造方法は、大気又は酸素ガス中にて、前
記フラーレン分子と前記亜硫酸水素塩との混合溶液にジ
メチルホルムアミドを加えてカラシュ反応(Kharash Re
action)させることが好ましい。
As shown in FIG. 1, a method for producing a fullerene derivative according to the present invention comprises adding a dimethylformamide to a mixed solution of the fullerene molecule and the bisulfite in air or oxygen gas, and adding a carash reaction ( Kharash Re
action).

【0026】これにより、前記フラーレン分子を構成す
る炭素原子に少なくともスルホン酸基が直接結合された
前記フラーレン誘導体を生成することができ、その得ら
れたフラーレン誘導体は、前記スルホン酸基が、直接、
前記フラーレン分子を構成する炭素原子に結合されてい
るので、熱的に安定しており、例えば熱水中でも加水分
解することはない。また、例えばジメチルホルムアミド
等の高沸点溶媒中で100℃以上に加熱しても安定して
おり、より良好な耐水・耐熱性を示す。
As a result, it is possible to produce the fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule.
Since it is bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule, it is thermally stable and does not hydrolyze even in hot water, for example. Further, it is stable even when heated to 100 ° C. or more in a high boiling point solvent such as dimethylformamide, and shows better water resistance and heat resistance.

【0027】さらに、得られたフラーレン誘導体をプロ
トン伝導体として各種の電気化学デバイス、例えば燃料
電池に適用すれば、より優れたプロトン伝導性を発揮す
ることができる。
Furthermore, when the obtained fullerene derivative is applied as a proton conductor to various electrochemical devices, for example, a fuel cell, more excellent proton conductivity can be exhibited.

【0028】図2は、例えば不飽和化合物を原材料とし
たときの、前記カラシュ反応の反応スキームを示すもの
である。
FIG. 2 shows a reaction scheme of the above-mentioned Kalash reaction when, for example, an unsaturated compound is used as a raw material.

【0029】まず、亜硫酸水素イオンは、酸素によっ
て、亜硫酸イオンラジカルとなる。この亜硫酸イオンラ
ジカルと不飽和化合物[a]を反応させると、化合物
[b]が生成する。この化合物[b]と水素によって、
化合物[c]が生成する。これと同時に、化合物[b]
の水素が離脱し、化合物[d]が生成する。また、前記
酸素と化合物[b]が反応することにより、化合物
[e]が生じ、これと亜硫酸水素イオンが反応して化合
物[f]が生成する。
First, hydrogen sulfite ions are converted into sulfite ion radicals by oxygen. When this sulfite ion radical is reacted with the unsaturated compound [a], a compound [b] is produced. By this compound [b] and hydrogen,
Compound [c] is produced. At the same time, compound [b]
Hydrogen is eliminated to produce a compound [d]. In addition, the compound [b] reacts with the oxygen to produce a compound [e], which reacts with bisulfite ion to produce a compound [f].

【0030】本発明者らは、このカラシュ反応を、前記
フラーレン分子を原料とした反応に適用し、前記フラー
レン分子を構成する炭素原子に少なくともスルホン酸基
が直接結合された前記フラーレン誘導体を生成すること
を見出した。
The present inventors apply this Karash reaction to a reaction using the fullerene molecule as a raw material to produce the fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule. I found that.

【0031】前記亜硫酸水素塩としては、例示するなら
ば、亜硫酸水素ナトリウム又は亜硫酸水素カリウムを挙
げることができる。
Examples of the bisulfite include sodium bisulfite and potassium bisulfite.

【0032】図3は、本発明に基づくフラーレン誘導体
の製造方法をより具体的に示すものである。
FIG. 3 shows the method for producing a fullerene derivative according to the present invention more specifically.

【0033】図3に示すように、大気中にて、前記フラ
ーレン分子(例えば、C60)と、前記亜硫酸水素塩とし
ての例えば亜硫酸水素ナトリウムを、前記ジメチルホル
ムアミド中、120℃で3日間反応させることが好まし
い。TLC(Thin Layer Chromatography:薄層クロマ
トグラフィー)にて前記フラーレン分子の消失をモニタ
ーし、前記フラーレン分子が消失したら、混合溶液をエ
ーテル中に注ぎ、粗生成物と前記亜硫酸水素ナトリウム
を沈殿させ、ろ過し、ジメチルホルムアミドを除去す
る。
As shown in FIG. 3, the fullerene molecule (for example, C 60 ) is reacted with, for example, sodium bisulfite as the bisulfite in the dimethylformamide at 120 ° C. for 3 days in the air. Is preferred. The disappearance of the fullerene molecules was monitored by TLC (Thin Layer Chromatography), and when the fullerene molecules disappeared, the mixed solution was poured into ether to precipitate a crude product and the sodium bisulfite, followed by filtration. To remove dimethylformamide.

【0034】次いで、エタノールによって、前記ろ過に
より得られたろ過物から、目的生成物としての前記フラ
ーレン誘導体を抽出する。抽出された生成物を、ろ過及
び脱水し、前記エタノールを除去し、更にNaOHで中
和し、スルホン酸塩(−SO 3Na)型に変換し、SE
C(Sieve Exclusion Chromatography)を用いて低分子
量無機塩を除去する。そして、前記低分子量無機塩が除
去されたものを脱水処理することで溶媒(水)を除去
し、例えば、図19に示すような、前記フラーレン誘導
体としての茶色の固体を得ることができる。
Next, the above-mentioned filtration was carried out with ethanol.
From the filtrate obtained from the above,
Extract the allene derivative. The extracted product is filtered and
And dehydration to remove the ethanol, and further with NaOH
Sulfonic acid salt (-SO ThreeNa) type and SE
Small molecules using C (Sieve Exclusion Chromatography)
Remove inorganic salts. And, the low molecular weight inorganic salt is removed.
Solvent (water) is removed by dehydrating the removed material
Then, for example, as shown in FIG.
A brown solid can be obtained as a body.

【0035】本発明に基づくフラーレン誘導体の製造方
法は、図18に示すような、前記フラーレン分子を構成
する炭素原子に前記スルホン酸基のみが、プロトン(H
+)解離性の基として直接結合されたフラーレン誘導体
及び/又は図19に示すような、前記フラーレン分子を
構成する炭素原子に前記スルホン酸基及び水酸基が、前
記プロトン解離性の基として直接結合されたフラーレン
誘導体を生成することができる。ここで、前記「プロト
ン解離性の基」とは、プロトンが電離により離脱し得る
官能基を意味し、また「プロトン(H+)の解離」と
は、電離によりプロトンが官能基から離れることを意味
する。また、前記フラーレン誘導体を更に、プロトン解
離性の他の基を有する誘導体へと誘導することができ
る。
In the method for producing a fullerene derivative according to the present invention, as shown in FIG. 18, only the sulfonic acid group is replaced with a proton (H) at a carbon atom constituting the fullerene molecule.
+ ) The sulfonic acid group and the hydroxyl group are directly bonded to the fullerene derivative directly bonded as a dissociable group and / or the carbon atom constituting the fullerene molecule as shown in FIG. Fullerene derivatives can be produced. Here, the “proton dissociable group” means a functional group from which a proton can be eliminated by ionization, and “dissociation of proton (H + )” means that a proton is separated from a functional group by ionization. means. Further, the fullerene derivative can be further derived into a derivative having another group capable of proton dissociation.

【0036】これらのフラーレン誘導体は、前記フラー
レン分子を構成する炭素原子に少なくとも前記スルホン
酸基が直接結合されているので、熱的に安定しており、
例えば熱水中でも加水分解することはない。また、例え
ばジメチルホルムアミド等の高沸点溶媒中で100℃以
上に加熱しても安定しており、良好な耐水・耐熱性を示
す。
These fullerene derivatives are thermally stable because at least the sulfonic acid group is directly bonded to the carbon atom constituting the fullerene molecule.
For example, it does not hydrolyze even in hot water. Further, it is stable even when heated to 100 ° C. or more in a high boiling point solvent such as dimethylformamide, and shows good water resistance and heat resistance.

【0037】さらに、このフラーレン誘導体を、プロト
ン伝導体として各種の電気化学デバイス、例えば燃料電
池に適用すれば、より優れたプロトン伝導性を発揮する
ことができる。
Furthermore, when this fullerene derivative is applied as a proton conductor to various electrochemical devices, for example, a fuel cell, more excellent proton conductivity can be exhibited.

【0038】本発明において、プロトン解離性の基の導
入対象となる母体としてのフラーレン分子は、球状クラ
スター分子であれば特に限定しないが、通常はC36、C
60(図14(A)参照)、C70(図14(B)参照)、
76、C78、C80、C82、C 84などから選ばれるフラー
レン分子の単体、若しくはこれらの2種以上の混合物が
好ましく用いられる。
In the present invention, the introduction of a proton dissociable group
The fullerene molecule as the target parent
There is no particular limitation as long as it is a star molecule.36, C
60(See FIG. 14A), C70(See FIG. 14B),
C76, C78, C80, C82, C 84Fuller selected from etc.
A single element of a len molecule or a mixture of two or more of these
It is preferably used.

【0039】本発明に基づいて得られる前記フラーレン
誘導体は、プロトン伝導体として各種の電気化学デバイ
ス、例えば燃料電池に好適に用いることができる。
The fullerene derivative obtained according to the present invention can be suitably used as a proton conductor in various electrochemical devices such as a fuel cell.

【0040】燃料電池のプロトン伝導のメカニズムは図
4の模式図に示すようになり、プロトン伝導部1は第1
極(例えば水素極)2と第2極(例えば酸素極)3との
間に挟持され、解離したプロトン(H+)は図面矢印方
向に沿って第1極2側から第2極3側へと移動する。
The mechanism of proton conduction in the fuel cell is as shown in the schematic diagram of FIG.
Dissociated protons (H + ) sandwiched between an electrode (eg, a hydrogen electrode) 2 and a second electrode (eg, an oxygen electrode) 3 move from the first electrode 2 side to the second electrode 3 side in the direction of the arrow in the drawing. And move.

【0041】図5には、本発明に基づいて得られる前記
フラーレン誘導体をプロトン伝導体として用いた燃料電
池の一具体例を示す。この燃料電池は、触媒2a及び3
aをそれぞれ密着又は分散させた互いに対向する、端子
8及び9付きの負極(燃料極又は水素極)2及び正極
(酸素極)3を有し、これらの両極間にプロトン伝導部
1が挟着されている。
FIG. 5 shows a specific example of a fuel cell using the fullerene derivative obtained according to the present invention as a proton conductor. This fuel cell comprises catalysts 2a and 3
a, a negative electrode (fuel electrode or hydrogen electrode) 2 and a positive electrode (oxygen electrode) 3 with terminals 8 and 9 facing each other and closely contacting or dispersing a, and the proton conducting portion 1 is sandwiched between these two electrodes. Have been.

【0042】使用時には、負極2側では導入口12から
水素が供給され、排出口13(これは設けないこともあ
る。)から排出される。燃料(H2)14が流路15を
通過する間にプロトンを発生し、このプロトンはプロト
ン伝導部1で発生したプロトンとともに正極3側へ移動
し、そこで導入口16から流路17に供給されて排気口
18へ向かう酸素(又は空気)19と反応し、これによ
り所望の起電力が取り出される。
In use, on the negative electrode 2 side, hydrogen is supplied from the inlet 12 and discharged from the outlet 13 (which may not be provided). Protons are generated while the fuel (H 2 ) 14 passes through the flow path 15, and the protons move toward the positive electrode 3 together with the protons generated in the proton conducting portion 1, where they are supplied from the inlet 16 to the flow path 17. Reacts with oxygen (or air) 19 toward the exhaust port 18, thereby extracting a desired electromotive force.

【0043】かかる構成の燃料電池は、プロトン伝導部
1でプロトンが解離しつつ、負極2側から供給されるプ
ロトンが正極3側へ移動するので、プロトンの伝導率が
高い特徴がある。従って、加湿装置等は不必要となるの
で、システムの簡略化、軽量化を図ることができる。
The fuel cell having such a structure is characterized in that protons supplied from the negative electrode 2 move to the positive electrode 3 while the protons are dissociated in the proton conducting portion 1, so that the proton conductivity is high. Therefore, since a humidifying device or the like is not required, the system can be simplified and reduced in weight.

【0044】[0044]

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be specifically described below based on embodiments.

【0045】<フラーレンポリスルホン酸の合成>大気
中にて、フラーレン分子C60(500mg)と亜硫酸水
素ナトリウム(60eq)を、ジメチルホルムアミドD
MF(300ml)中、120℃で3日間反応させた。
TLC(Thin Layer Chromatography:薄層クロマトグ
ラフィー)にて前記フラーレン分子の消失をモニター
し、前記フラーレン分子が消失したら、混合溶液をエー
テル(700ml)中に注ぎ、粗生成物と前記亜硫酸水
素ナトリウムを沈殿させ、ろ過し、ジメチルホルムアミ
ドを除去した。
<Synthesis of fullerene polysulfonic acid> A fullerene molecule C 60 (500 mg) and sodium bisulfite ( 60 eq) were converted into dimethylformamide D in the atmosphere.
The reaction was performed at 120 ° C. for 3 days in MF (300 ml).
The disappearance of the fullerene molecules was monitored by TLC (Thin Layer Chromatography). When the fullerene molecules disappeared, the mixed solution was poured into ether (700 ml) to precipitate the crude product and the sodium bisulfite. And filtered to remove dimethylformamide.

【0046】次いで、エタノール(500ml)によっ
て、前記ろ過により得られたろ過物から、目的生成物と
しての前記フラーレン誘導体を抽出した。抽出された生
成物を、ろ過及び脱水し、前記エタノールを除去し、更
にNaOHで中和し、スルホン酸塩(−SO3Na)型
に変換し、SEC(Sieve Exclusion Chromatography:
Sephadex LH−20)を用いて低分子量無機
塩を除去した。そして、前記低分子量無機塩が除去され
たものを脱水処理することで溶媒(水)を除去し、目的
生成物である前記フラーレン誘導体としての、エタノー
ルに可溶の赤黒色固体507mg(推定構造m=4、n
=8として収率39%)を得ることができた。
Next, the fullerene derivative as a target product was extracted from the filtrate obtained by the filtration with ethanol (500 ml). The extracted product is filtered and dehydrated to remove the ethanol, further neutralized with NaOH, converted to a sulfonate (—SO 3 Na) form, and subjected to SEC (Sieve Exclusion Chromatography:
Low molecular weight inorganic salts were removed using Sephadex LH-20). Then, the solvent (water) is removed by dehydrating the material from which the low-molecular-weight inorganic salt has been removed, and 507 mg of a red-black solid soluble in ethanol as the fullerene derivative as the target product (estimated structure m = 4, n
= 8 and a yield of 39%).

【0047】このフラーレン誘導体のエタノール中のU
V−Vis測定を行った結果、220nm付近にピーク
を有し、600nmまでテールを引くスペクトルを示し
た。IRスペクトル(KBr)は、スルホン酸基に特徴
的な1210、1040cm -1の吸収ピークを示した。
MSスペクトル(positive)は、C60のピーク
(イオン化の際に分解して生じた物)の他に、高分子量
側に複数のピークが見られ、スルホン酸基の付加物の生
成を示した。
This fullerene derivative is treated with U in ethanol.
As a result of V-Vis measurement, a peak was observed at around 220 nm.
Shows a spectrum with a tail up to 600 nm
Was. IR spectrum (KBr) is characterized by sulfonic acid groups
1210, 1040cm -1Showed an absorption peak.
The MS spectrum (positive) is C60Peak of
(Products decomposed during ionization) and high molecular weight
Multiple peaks on the side, the formation of adducts of sulfonic acid groups
The result was shown.

【0048】以下、IRスペクトル、1H、13C−NM
R、XPS(X線電子分光法)、元素分析等の評価結果
の詳細を示すが、これらの総合的解析から、得られた物
質が図19に示すようなポリスルホン酸構造を持ってい
ることが明らかとなった。また、フラーレンC60と亜硫
酸水素ナトリウムとの反応機構については、完全に酸素
のない条件下では反応が進行しなかったことより、前記
カラシュ(Kharash)反応で反応が進行している
と考えられる。
Hereinafter, the IR spectrum, 1 H, 13 C-NM
Details of evaluation results such as R, XPS (X-ray electron spectroscopy), elemental analysis, etc. are shown. From these comprehensive analysis, it is found that the obtained substance has a polysulfonic acid structure as shown in FIG. It became clear. As for the reaction mechanisms of fullerene C 60 and sodium bisulfite, in the completely free conditions oxygen from the reaction did not proceed, considered the Caras (Kharash) at a reaction is proceeding.

【0049】<イオン交換>C60とNaHSO3の反応
で得られた生成物の水溶液を、Amberlite−1
40(H)のカラムにSV4(溶媒の流速が400ml
/1hr)でかけることにより、強酸性(pH<1)を
示すフラクションが得られた。また、後に示すXPS分
析より、この溶液にはナトリウムが含まれていないこと
が分かり、この条件で完全にイオン交換できていること
が分かった。
[0049] The aqueous solution of the product obtained in the reaction of <ion exchange> C 60 and NaHSO 3, Amberlite-1
SV4 (solvent flow rate is 400 ml)
/ 1 hr), a fraction showing strong acidity (pH <1) was obtained. In addition, XPS analysis described later revealed that this solution did not contain sodium, and that ion exchange was completely performed under these conditions.

【0050】<IR>本発明のフラーレン誘導体の製造
方法によって得られたフラーレン誘導体のIRスペクト
ルを図6に示す。イオン交換したものは1200、34
00cm-1付近のピーク形状が若干変化するが、全体的
には塩型と酸型で同じパターンを示し、大きな構造変化
がないことがわかった。3430cm-1(vs,b
r)、1650cm-1(vs)、1210cm-1(v
s)、1040cm-1(vs)、880、850cm-1
(s)、650、590cm-1(s)
<IR> FIG. 6 shows an IR spectrum of the fullerene derivative obtained by the method for producing a fullerene derivative of the present invention. 1200, 34 after ion exchange
Although the peak shape around 00 cm -1 slightly changed, the same pattern was shown for the salt type and the acid type as a whole, and it was found that there was no significant structural change. 3430 cm -1 (vs, b
r), 1650 cm -1 (vs), 1210 cm -1 (v
s), 1040 cm -1 (vs), 880, 850 cm -1
(S), 650, 590 cm -1 (s)

【0051】<1H、13C−NMR(DMSO−d0)>
1H−NMRの結果を図7[A]に示すように、9.9
8、8.17、4.4(br)及び2.9(br)pp
mにシグナルが観測され、それぞれスルホン酸基(SO
3H)、DMFのアルデヒド基、OH基及びメチル基
(メチレン基)由来と考えられる。
< 1 H, 13 C-NMR (DMSO-d 0 )>
As shown in FIG. 7A, the result of 1 H-NMR was 9.9.
8, 8.17, 4.4 (br) and 2.9 (br) pp
m, a signal was observed for each of the sulfonic acid groups (SO
3 H), DMF aldehyde group, OH group and a methyl group (methylene group) is considered to be derived from.

【0052】また、13C−NMRの結果を図7[B]に
示すように、148ppm付近にフラーレン骨格由来の
ブロードなピークが観測された。また、57ppm付近
に−C−O−(若しくは−C−N、−C−S−)由来の
ブロードなピークが観測され、他には164ppmにC
=O由来のシグナル、また35ppm付近にシャープな
ピークが観測されており、これらは下記の元素分析の結
果より、フラーレン分子に付加したDMFに由来するも
のと考えられる。
Further, as shown in FIG. 7B, the result of 13 C-NMR was that a broad peak derived from a fullerene skeleton was observed at around 148 ppm. Further, a broad peak derived from -CO- (or -CN, -CS-) was observed around 57 ppm, and the other peak was 164 ppm.
A signal derived from OO and a sharp peak at around 35 ppm are observed. These results are considered to be derived from DMF added to the fullerene molecule from the results of the following elemental analysis.

【0053】<XPS分析>XPS分析結果を図8に示
す。このXPSの元素分析によれば、Naは検出されな
かった。このうちC1sピークの分析では、C−C又は
C−H,69;C−O、C−S又はC−N,19;C=
O,4;COO,5;π−π,4(%)であった。S2
pピーク分析では、C−S又はS−S,3;−SO
2−,26;−SO4 2-又は−SO3 -,71(%)とな
り、C−S結合の存在が確認できた。
<XPS Analysis> The results of the XPS analysis are shown in FIG. According to this XPS elemental analysis, Na was not detected. In the analysis of the C1s peak, C—C or C—H, 69; C—O, C—S or C—N, 19;
O, 4; COO, 5; π-π, 4 (%). S2
In p peak analysis, CS or SS, 3;
2 -, 26; -SO 4 2- or -SO 3 -, 71 (%), and the presence of C-S bond was confirmed.

【0054】<元素分析(燃焼法)>元素分析結果を図
9に示す。図9に示すように、C=48.51、H=
3.35、N=3.82、S=14.06、(O)=3
0.26(%)であった。また、上述したNMR及びX
PSの結果より、フラーレンC60にスルホン酸基と水酸
基及びDMFが複数個付加した構造を仮定して、C
60(SO3H)n(OH)n(CH2N(CHO)CH3m
の場合の各元素重量百分率を計算すると m=4 C H N S O (%) n=6 54.14 2.27 3.51 12.04 28.04 n=7 51.00 2.26 3.30 13.24 30.20 n=8 48.22 2.25 3.12 14.30 32.11 となり、平均してn=7〜8の付加物が得られたと判断
できる。
<Elemental analysis (combustion method)> The results of the elemental analysis are shown in FIG. As shown in FIG. 9, C = 48.51, H =
3.35, N = 3.82, S = 14.06, (O) = 3
0.26 (%). In addition, NMR and X
From the results of PS, assuming a structure in which a sulfonic acid group and a hydroxyl group and DMF were several added to the fullerene C 60, C
60 (SO 3 H) n (OH) n (CH 2 N (CHO) CH 3 ) m
When the weight percentage of each element in the case of is calculated, m = 4 CHNSO (%) n = 65.14 2.27 3.51 12.04 28.04 n = 7 51.00 2.26 3. 30 13.24 30.20 n = 8 48.22 2.25 3.12 14.30 32.11 It can be determined that adducts with n = 7 to 8 were obtained on average.

【0055】<プロトン伝導度>交流インピーダンス法
から求めた室温(20℃)におけるプロトン伝導度は約
2×10-3Scm-1であり、良好な値を示し、また図1
0に示すように、本発明に基づいて得られたフラーレン
誘導体は、高温下においても優れたプロトン伝導性能を
発揮することが分かる。図中には、比較のため、ナフィ
オン(デュポン社製)のデータも示す。
<Proton Conductivity> The proton conductivity at room temperature (20 ° C.) determined by the AC impedance method is about 2 × 10 −3 Scm −1, which is a good value.
As shown in FIG. 0, the fullerene derivatives obtained according to the present invention exhibit excellent proton conductivity even at high temperatures. In the figure, data of Nafion (manufactured by DuPont) is also shown for comparison.

【0056】<耐水・耐熱安定性>本発明に基づいて得
られたフラーレン誘導体を、熱水中(85℃)で10時
間攪拌した後も、目視において沈降などの現象は認めら
れず、また、熱水中における攪拌処理及び化合物分離後
のFT−IR測定の結果を示す図11と、前記攪拌処理
前のFT−IR測定の結果を示す図6より明らかなよう
に、スルホン酸基が保持されていること等、何ら変化が
認められなかった。これと同様にして、類似の構造を持
つフラーレン硫酸エステルを熱水中において、攪拌処理
し、その攪拌処理前(図12)と処理後(図13)のF
T−IR測定結果を比較したところ、処理を行うと完全
に加水分解し、スルホン酸基が離脱してポリ水酸化フラ
ーレンに転化してしまったことが分かる。
<Water Resistance / Heat Stability> Even after the fullerene derivative obtained according to the present invention was stirred in hot water (85 ° C.) for 10 hours, no phenomenon such as sedimentation was visually observed. As is clear from FIG. 11 showing the result of the FT-IR measurement after the stirring treatment and the compound separation in hot water and FIG. 6 showing the result of the FT-IR measurement before the stirring treatment, the sulfonic acid group was retained. No change was observed. Similarly, a fullerene sulfate having a similar structure is stirred in hot water, and the F before and after the stirring (FIG. 13) is processed.
Comparing the T-IR measurement results, it is found that the treatment completely hydrolyzed, the sulfonic acid group was eliminated and converted to polyhydroxy fullerene.

【0057】[0057]

【発明の作用効果】本発明の製造方法によれば、前記フ
ラーレン分子を構成する炭素原子に少なくともスルホン
酸基が直接結合されたフラーレン誘導体を生成すること
ができ、その得られたフラーレン誘導体は、前記スルホ
ン酸基が直接フラーレン分子を構成する炭素原子に結合
されているので、熱的に安定しており、例えば熱水中で
も加水分解することなく、良好な耐水・耐熱性を示す。
According to the production method of the present invention, a fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule can be produced. Since the sulfonic acid group is directly bonded to the carbon atom constituting the fullerene molecule, it is thermally stable and exhibits good water resistance and heat resistance without hydrolyzing even in hot water.

【0058】さらに、その製造されたフラーレン誘導体
を、プロトン伝導体として各種の電気化学デバイス、例
えば燃料電池に適用すれば、優れたプロトン伝導性を発
揮する。
Further, when the produced fullerene derivative is applied as a proton conductor to various electrochemical devices such as a fuel cell, excellent proton conductivity is exhibited.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に基づくフラーレン誘導体の製造方法を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for producing a fullerene derivative according to the present invention.

【図2】カラシュ反応を示す反応構造式である。FIG. 2 is a reaction structural formula showing a Kalash reaction.

【図3】本発明に基づくフラーレン誘導体の製造方法を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a method for producing a fullerene derivative according to the present invention.

【図4】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体を
プロトン伝導体として用いた一例を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic view showing an example in which a fullerene derivative obtained according to the present invention is used as a proton conductor.

【図5】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体を
プロトン伝導体として用いた一実施の形態による燃料電
池の概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view of a fuel cell according to an embodiment using a fullerene derivative obtained according to the present invention as a proton conductor.

【図6】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体の
IRスペクトルを示す図である。
FIG. 6 is a view showing an IR spectrum of a fullerene derivative obtained according to the present invention.

【図7】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体の
NMRスペクトルを示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an NMR spectrum of a fullerene derivative obtained according to the present invention.

【図8】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体の
XPS分析の測定結果を示す図である。
FIG. 8 is a view showing a measurement result of an XPS analysis of a fullerene derivative obtained according to the present invention.

【図9】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体の
元素分析結果を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an elemental analysis result of a fullerene derivative obtained according to the present invention.

【図10】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体
の交流インピーダンス法の測定結果を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a measurement result of a fullerene derivative obtained based on the present invention by an AC impedance method.

【図11】本発明に基づいて得られるフラーレン誘導体
の熱水中における攪拌後のIRスペクトルを示す図であ
る。
FIG. 11 is a view showing an IR spectrum of a fullerene derivative obtained according to the present invention after stirring in hot water.

【図12】ポリ水酸化フラーレン硫酸エステルのIRス
ペクトルを示す図である。
FIG. 12 is a view showing an IR spectrum of polyhydroxylated fullerene sulfate.

【図13】ポリ水酸化フラーレン硫酸エステルの熱水中
における攪拌後のIRスペクトルを示す図である。
FIG. 13 is a view showing an IR spectrum of polyhydroxyfullerene sulfate in hot water after stirring.

【図14】フラーレン分子の構造図である。FIG. 14 is a structural diagram of a fullerene molecule.

【図15】ポリ水酸化フラーレンの構造図である。FIG. 15 is a structural diagram of a polyhydroxylated fullerene.

【図16】加水分解するポリ水酸化フラーレン硫酸水素
エステルの構造図である。
FIG. 16 is a structural view of hydrolyzed poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate).

【図17】加水分解するポリ水酸化フラーレン硫酸水素
エステルを合成するための、従来公知の合成方法を示す
反応スキームである。
FIG. 17 is a reaction scheme showing a conventionally known synthesis method for synthesizing a hydrolyzed poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate).

【図18】加水分解しない本発明に基づいて得られるフ
ラーレン誘導体の構造図である。
FIG. 18 is a structural diagram of a fullerene derivative obtained according to the present invention without hydrolysis.

【図19】加水分解しない本発明に基づいて得られるそ
の他のフラーレン誘導体の構造図である。
FIG. 19 is a structural diagram of another fullerene derivative obtained according to the present invention without hydrolysis.

【図20】スルホン酸基の安定性を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the stability of a sulfonic acid group.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…プロトン伝導部、2…第1極(水素極)、2a…触
媒、3…第2極(酸素極)、3a…触媒、14…水素、
19…酸素(又は空気)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Proton conduction part, 2 ... 1st electrode (hydrogen electrode), 2a ... catalyst, 3 ... 2nd electrode (oxygen electrode), 3a ... catalyst, 14 ... hydrogen,
19 ... oxygen (or air)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素の存在下、フラーレン分子と亜硫酸
水素塩を反応させ、前記フラーレン分子を構成する炭素
原子に少なくともスルホン酸基が直接結合されたフラー
レン誘導体を生成する工程を有する、フラーレン誘導体
の製造方法。
1. A method for producing a fullerene derivative, comprising: reacting a fullerene molecule with a bisulfite in the presence of oxygen to produce a fullerene derivative in which at least a sulfonic acid group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule. Production method.
【請求項2】 大気又は酸素ガス中にて、前記フラーレ
ン分子と前記亜硫酸水素塩との混合溶液にジメチルホル
ムアミドを加えてカラシュ反応(Kharash Reaction)さ
せる、請求項1に記載したフラーレン誘導体の製造方
法。
2. The method for producing a fullerene derivative according to claim 1, wherein dimethylformamide is added to a mixed solution of the fullerene molecule and the bisulfite in air or oxygen gas to cause a Karash reaction. .
【請求項3】 前記亜硫酸水素塩が、亜硫酸水素ナトリ
ウム又は亜硫酸水素カリウムである、請求項1に記載し
たフラーレン誘導体の製造方法。
3. The method for producing a fullerene derivative according to claim 1, wherein the bisulfite is sodium bisulfite or potassium bisulfite.
【請求項4】 前記フラーレン分子を構成する炭素原子
に、スルホン酸基及び/又は水酸基がプロトン解離性の
基として直接結合された前記フラーレン誘導体を生成す
る、請求項1に記載したフラーレン誘導体の製造方法。
4. The production of a fullerene derivative according to claim 1, wherein the sulfonic acid group and / or the hydroxyl group is directly bonded to a carbon atom constituting the fullerene molecule as a proton-dissociable group. Method.
【請求項5】 前記基を、プロトン解離性の他の基に更
に誘導する、請求項4に記載したフラーレン誘導体の製
造方法。
5. The method for producing a fullerene derivative according to claim 4, wherein the group is further derived to another group capable of proton dissociation.
【請求項6】 前記フラーレン分子として、球状炭素ク
ラスター分子C(m=36、60、70、76、7
8、80、82、84等)を用いる、請求項1に記載し
たフラーレン誘導体の製造方法。
6. The spherical carbon cluster molecule C m (m = 36, 60, 70, 76, 7) as the fullerene molecule
8, 80, 82, 84) using the fullerene derivative according to claim 1.
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